Раскрыта неизвестная роль углекислого газа в клетках

Ученые из университетского колледжа Дублина разработали химический сенсор CarboSenR2, который впервые позволил непосредственно наблюдать и измерять концентрацию углекислого газа (CO₂) внутри живых клеток организма. Об этом говорится в исследовании, опубликованном в журнале Redox Biology.

Ранее CO₂ рассматривали преимущественно как конечный продукт метаболизма, выводимый из организма с дыханием и участвовавший в фотосинтезе растений и глобальных циклах углерода.  Однако внутри клеток его динамика оставалась скрытой из-за отсутствия подходящих методов наблюдения.

Новый сенсор — это молекула, которая меняет цвет при взаимодействии с CO₂ от зеленого к красному при увеличении концентрации газа. С помощью методов проточной цитометрии и микроскопии ученые смогли визуализировать, где именно в клетках образуется углекислый газ.

Новый биосенсор помог понять, где именно в организме образуется углекислый газ. Источник: https://phys.org/

Что показал новый инструмент

Сенсор CarboSenR2 продемонстрировал, что наиболее интенсивное образование CO₂ происходит около митохондрий — «энергетических станций» клетки. Это важно, поскольку именно в митохондриях протекают ключевые реакции энергетического обмена.

Ученые также стимулировали мышечные клетки электрическими импульсами, имитируя физическую активность. При «нагрузке» клетки сенсор загорается ярче, что свидетельствует об увеличении выработки CO₂. Блокировка работы митохондрий приводила к снижению свечения, подтверждая связь между энергетическим обменом и образованием углекислого газа в клетках.

Кроме того, исследователи смогли различать типы иммунных клеток по уровню продукции CO₂ — что может оказаться важным для понимания их функции в разных состояниях здорового и больного организма.

Эритроциты — транспортировщики как кислорода из легких, так и углекислого газа в легкие. Правда, он туда попадает и самотеком, будучи растворен в плазме крови. Источник: Unsplash

Почему это важно

До сих пор CO₂ в клетках чаще всего рассматривали как пассивный «отход» метаболизма. Однако газ может играть активную роль в различных физиологических процессах: участвовать в воспалении, заживлении ран и адаптации к нагрузкам. Новый сенсор меняет наше представление о биологической роли CO₂ и может стать мощным инструментом как для фундаментальных исследований, так и для медицины.

Это особенно актуально, поскольку высокий уровень CO₂ наблюдается при таких заболеваниях, как ХОБЛ (хроническая обструктивная болезнь легких), ОРДС (острый респираторный дистресс-синдром) и некоторых формах рака — но механизмы этих явлений до конца не ясны.

В аэробных организмах все клетки производят углекислый газ, но безусловными чемпионами в этом деле являются клетки поперечно-полостаых мышц.Источник: Unsplash

7 фактов об углекислом газе

• Человеческий организм вырабатывает в процессе метаболизма примерно 1 кг CO₂ в сутки;
• Двуокись углерода участвует в буферных реакциях в крови, где она преобразуется в бикарбонат под действием фермента карбоангидразы;
• Существует гипотеза, что углекислота участвует в биосинтезе животного белка. В прошлом содержание CO₂ в атмосфере было выше нынешнего, что способствовало появлению на суше и в море гигантских организмов мезозойской эры;
• В организме здорового взрослого человека содержится 6-7% несвязанного гемоглобином углекислого газа и всего 2% свободного кислорода. В крови плода углекислоты намного больше — кислород губителен для эмбриона;
• Без достаточного количества углекислоты кислород не может выйти из связанного состояния с гемоглобином. Это так называемый эффект Вериго — Бора.  Возникает парадокс: кислорода в организме много, а органы и ткани сообщают об удушье;
• «Газовый анализатор» дыхательного центра в продолговатом мозге дает команду сделать очередной вдох, ориентируясь не на недостаток кислорода в крови, а на избыток углекислого газа;
• В настоящее время концентрация кислорода в земной атмосфере превышает 21%, а углекислого газа в ней всего 0,03%. Учитывая важность этого газа для метаболизма большинства живых организмов, ряд ученых осторожно высказывают крамольную мысль:  а что если повышение уровня CO2₂— это не только плохо, но и хорошо?    

Почему динозавры были такими большими? Потому что в атмосфере было много углекислого газа.Источник: Freepik